CN106653260B - 一种微型芯片线性负温度系数热敏电阻器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型芯片线性负温度系数热敏电阻器的制备方法，首先制备类似浆料的热敏高分子复合材料，然后将搅拌均匀的高分子复合材料制成流延料，采用流延成型、覆金箔叠层、等静压、热压及紫外辐射交联工艺制备热敏电阻高分子复合材料基板，最后，依据产品技术要求对热敏电阻高分子复合材料基板进行精确切割，得到微型芯片线性负温度系数热敏电阻器；本发明制备的微型芯片线性NTC热敏电阻器具有阻值精度高且可调、阻值及TCR值稳定、产品性能可靠等特点，本发明所提供的技术方案对微型芯片线性热敏电阻器工业化生产具有重要实用价值。

Description

一种微型芯片线性负温度系数热敏电阻器的制备方法

技术领域

本发明属于稳定负温度系数(NTC)热敏高分子复合材料及元器件领域，特别是涉及线性可靠的片式NTCR的制备工艺方法。

背景技术

热敏元器件大都由正温度系数或者负温度系数热敏材料制造而成，热敏材料主要包括热敏陶瓷材料和热敏高分子复合材料两类，工作原理都是利用热敏材料的电阻率随温度变化，热敏材料包括非线性NTC(Negative Temperature Coefficient)，非线性PTC(Positive Temperature Coefficient)、线性NTC及线性PTC四种。目前研究最多的是非线性NTC(Negative Temperature Coefficient)、非线性PTC(Positive TemperatureCoefficient)以及线性PTC，目前线性NTC的研究报道甚少，只有含Cd类元素的NTC热敏陶瓷材料偶见报道，而NTC热敏高分子复合材料几乎未见报道，但是，Cd元素对环境有危害，会造成环境污染。线性NTC热敏材料是指阻-温特性呈线性变化规律的热敏材料。采用线性NTC热敏材料制备而成片式NTCR是适应高密度表面贴装(SMT)要求的新型电阻元件，具有结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高等特点，广泛应用于需要温度补偿、温度控制、温度测量等高密度组装的电子电路中。

到目前为止，国内投入实际生产的片式NTCR主要有多层型、厚膜型两种结构，两种NTCR大部分都是呈非线性负温度系数热敏电阻器，所用热敏材料都是NTC热敏陶瓷材料。其中，多层厚膜型需要基于LTCC(低温多层共烧陶瓷)平台，采用流延方式成型，然后印刷多层交叉电极，通过叠层等静压、排胶烧成后，在端涂电极形成片式NTCR，结构设计如图1所示，该类片式NTCR需要匹配多层内电极银钯浆高温烧结(约1150℃)而成，成本较高、工艺复杂，且由于单层NTC膜厚较小，高温共烧过程中与电极层有互相渗入的现象，B值(材料常数)精度、阻值精度和可靠性均不高。厚膜型的片式NTCR相对于多层NTCR来讲，由于厚膜NTC浆料烧结温度只有850℃，可以配套银浆使用，且只印刷1层，材料成本很低；另外，产品NTC功能层上下均有保护，机械和耐腐蚀性能高；并且厚膜工艺相对LTCC工艺设备需求较少，生产周期大幅度缩短、效率显著提高，结构设计如图2所示。但是，由于厚膜片式NTCR采用的是平面电极，调整阻值一般依靠降低方数，导致制备的产品阻值较高，其次由于厚膜印刷工艺固有的特征，导致产品阻值分布不一，且由于电阻具有热敏效应，很难通过激光调阻方式调整产品阻值，因而阻值精度非常差，制备高精度产品时合格率低下。

随着电子科学技术的迅速发展，电子工业电路中对热敏电子元器件的测量控温精度的要求一直在不断提高，使用环境更加苛刻，对精度高、性能稳定性好的NTC元件需求也与日俱增。因此，对NTC热敏高分子复合材料，微型芯片线性负温度系数热敏电阻器的开发具有较大的价值，有望替代某些线性或者非线性NTCR在电子工业中的应用，丰富了热敏电阻元器件的品种。

发明内容

发明目的：本发明提供一种微型芯片线性负温度系数热敏电阻器的制备方法，该方法热敏电阻器阻值可调、阻值和TCR值稳定性好、产品性能稳定、阻-温特性呈线性变化规律。

技术方案：一种微型芯片线性负温度系数热敏电阻器的制备方法，包括以下的步骤：

步骤1，按比例称取氟橡胶与导电炭黑，用乙酸丁酯溶剂溶解氟橡胶，加入硅烷偶联剂，在搅拌的状态下加入导电炭黑，根据产品TCR值和阻值需要调节配方，直到炭黑均匀分散在氟橡胶溶液中形成类似浆料的高分子复合材料；

步骤2，将步骤1中制备的高分子复合材料制成流延浆料，对采用流延成型、通过叠层、等静压、覆金箔、热压及紫外辐射交联工艺制备NTC热敏电阻高分子复合材料基板；

步骤3，将步骤2中制备的NTC热敏电阻高分子复合材料基板依据产品技术要求对热敏电阻高分子复合材料基板进行精确切割，得到微型芯片线性负温度系数热敏电阻器。

具体地，所述微型芯片线性负温度系数热敏电阻器的主体功能材料为高分子复合材料，通过改变氟橡胶与导电炭黑的比例调节NTC高分子复合材料的TCR值及电阻率，NTC高分子复合材料采用流延方式成型。

更具体地，所述步骤2中所采用的流延浆料需要根据步骤1中的导电炭黑的分散程度的好坏、粘度大小来确定。

具体地，所述步骤2中对流延膜可以先叠层、等静压之后，再覆金箔进行热压和交联；也可以直接在金箔上叠层，达到所需厚度再上表面覆金箔进行等静压、热压及交联过程，两种工艺路线都可制备NTC热敏电阻高分子复合材料基板。

具体地，所述制备的NTC热敏电阻高分子复合材料基板，采用精密切割方式制备成微型芯片热敏电阻器，切割精度要求小于±5μm。

具体地，所述热敏电阻器的TCR值和R值稳定性好，阻-温特性呈线性变化规律。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：通过开发NTC高分子复合材料的成型工艺、表面处理方式、电极形成方式，研制出微型芯片线性热敏电阻器，与现有的片式热敏电阻器相比，阻值与TCR值稳定性好，阻-温特性呈线性变化规律，且采用了流延成型的方式来制备高分子复合材料基板，导电粒子在高分子中的分散性更好及高分子复合材料与金箔之间的附着力强，材料的NTC效应更加稳定，这对微型芯片线性热敏电阻器的工业化生产具有重要实用价值。

附图说明

图1多层片式热敏电阻器结构设计图；

图2厚膜片式热敏电阻器结构设计图；

图3本发明所制备的微型芯片热敏电阻器产品结构设计图；

图4传统厚膜片式热敏电阻器的阻-温特性变化图；

图5为1#样品的阻-温特性曲线；

图6为2#样品的阻-温特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

如图1-4所示，一种微型芯片线性负温度系数热敏电阻器的制备方法，对于线性热敏电阻器来讲，TCR值与阻值是两个重要的参数。目前，非线性热敏电阻器已经获得了大规模的生产应用，而线性热敏电阻器生产应用还很少，只有含Cd类元素的线性热敏电阻器偶见应用，但是，Cd元素有毒，对环境会造成污染。鉴于此，本发明提出一种微型芯片线性热敏电阻器的制备方法，这种方法不仅环保，而且TCR线性度优于Cd类陶瓷材料。该方法通过将高分子复合材料采用流延方式成型、覆金箔箔叠层、等静压、热压、交联、切割(其中可以先叠层、等静压后，再覆金箔箔进行热压和交联；或者先在金箔上叠层所需厚度，上表面覆金箔再进行等静压、热压和交联过程)，最终制备了一种微型芯片线性负温度系数热敏电阻元器件。本发明所述微型芯片线性热敏电阻器的具体制备方法如下，

首先，按比例称取氟橡胶与导电炭黑，用乙酸丁酯溶剂溶解氟橡胶，加入硅烷偶联剂，在搅拌的状态下加入导电炭黑，根据产品TCR值和阻值需要调节配方，直到炭黑均匀分散在氟橡胶溶液中形成类似浆料的高分子复合材料；具体调节方法是产品尺寸大小固定不变，如果产品室温电阻值偏大，TCR值偏小，那么在制备高分子复合材料的时候可以适当增加炭黑的用量，这就增加了复合材料中的导电网络结构，从而达到了调节目的。

其次，将搅拌均匀的高分子复合材料浆料制成流延料，采用流延成型、覆金箔叠层、等静压、热压及紫外辐射交联工艺制备热敏电阻高分子复合材料基板，其中可以先叠层、等静压后，再覆金箔进行热压和交联；或者先在金箔上叠层所需厚度，上表面覆铜箔再进行等静压、热压和交联过程；

其中叠层采用叠片机，覆金箔和等静压采用等静压机，热压采用热压机，紫外辐射交联采用紫外交联仪；

如果导电粒子分散不好，流延膜表面会出现不平整现象，膜表面会呈现颗粒，流延浆料在流延前都必须经过纱布过滤，过滤完好，说明导电粒子分散好，可以流延；另外，流延浆料的粘度一般需控制在90～150Pa.s

最后，制备高精度热敏电阻器：依据产品技术要求对热敏电阻高分子复合材料基板进行精确切割，得到微型芯片线性热敏电阻器(线性负温度系数热敏电阻器)。

实施例1

(1)配料、搅拌

按比例称取氟橡胶(0.9)与导电炭黑(0.1)，用乙酸丁酯溶剂溶解氟橡胶，加入硅烷偶联剂，在搅拌的状态下加入导电炭黑，根据产品TCR值和阻值需要调节配方，直到炭黑均匀分散在氟橡胶溶液中形成类似浆料的高分子复合材料。

(2)配置流延料

将搅拌均匀的高分子复合材料浆料制成流延料，具体实施方法是在高分子复合浆料中加入适量的乙酸丁酯(根据粘度定量)，搅拌2小时左右，过滤得到流延料。

(3)流延、层压

采用流延成型、覆金箔叠层、等静压、热压及紫外辐射交联工艺制备热敏电阻高分子复合材料基板(其中可以先叠层、等静压后，再覆金箔进行热压和交联；或者先在金箔上叠层所需厚度，上表面覆金箔再进行等静压、热压和交联过程)。

(4)产品切割

依据产品技术要求对热敏电阻高分子复合材料基板进行精确切割，得到3×3×0.3mm(尺寸公差＜0.005mm)大小的微型芯片热敏电阻器(线性负温度系数热敏电阻器)。

(5)电学性能测试

任选8颗片式热敏电阻器产品，其电性能测试结果表1所示。

其中，室温电阻率ρ由公式R₂₅＝ρL/S计算得到，TCR系数通过测试阻值代入公式TCR＝(R25-R85)/(60×R25)计算得到，R₂₅与R₈₅为电阻体的阻值大小，L为电阻体的长度(即NTC陶瓷基板的厚度)，S为电阻体的横截面积。

表1制备的微型芯片线性热敏电阻器样品电性能

从表1测试结果可以看出，该微型芯片热敏电阻器的室温电阻约为172Ω左右，TCR值约4900ppm/℃左右，平均偏差均较小。采用流延法制备的薄膜经过叠层等静压之后，炭黑在氟橡胶中的分散优异，均匀性好，从而使产品的阻值精度高、稳定性好、性能优异。

选取1#样品，分别测试在25℃、85℃、105℃、125℃、150℃温度下的电阻，其阻-温特性变化规律如图5所示。

实施例2

配料、球磨工序中配方改为：0.75份氟橡胶和0.25份导电炭黑、偶联剂适量、乙酸丁酯溶剂适量。其他工艺条件不变，最后任选8颗片式热敏电阻器产品，其电性能测试结果表2所示。

表2配方改变后制备的微型芯片线性热敏电阻器样品电性能

从表2测试结果可以看出，该微型芯片热敏电阻器的室温电阻在82Ω左右，TCR值约在6000ppm/℃左右，平均偏差均较小。采用流延法制备的薄膜经过叠层等静压之后，炭黑在氟橡胶中的分散优异，均匀性好，从而使产品的阻值精度高、稳定性好，性能优异。

选取2#样品，分别测试在25℃、85℃、105℃、125℃、150℃温度下的电阻，其阻-温特性变化规律如图6所示。

以上内容是结合最佳实施方案对本发明说做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求书限定的情况下，可以在细节上进行各种修改，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种微型芯片线性负温度系数热敏电阻器的制备方法，其特征在于，包括以下的步骤：

步骤1，按比例称取氟橡胶与导电炭黑，用乙酸丁酯溶剂溶解氟橡胶，加入硅烷偶联剂，在搅拌的状态下加入导电炭黑，根据产品TCR值和阻值需要调节配方，直到炭黑均匀分散在氟橡胶溶液中形成类似浆料的高分子复合材料；

步骤2，将步骤1中制备的高分子复合材料制成流延浆料，采用流延成型、通过叠层、等静压、覆金箔、热压及紫外辐射交联工艺制备NTC热敏电阻高分子复合材料基板；

步骤3，将步骤2中制备的NTC热敏电阻高分子复合材料基板依据产品技术要求对热敏电阻高分子复合材料基板进行精确切割，得到微型芯片线性负温度系数热敏电阻器。

2.根据权利要求1所述的一种微型芯片线性负温度系数热敏电阻器的制备方法，其特征在于：所述微型芯片线性负温度系数热敏电阻器的主体功能材料为高分子复合材料，通过改变氟橡胶与导电炭黑的比例调节NTC高分子复合材料的TCR值及电阻率，NTC高分子复合材料采用流延方式成型。

3.根据权利要求2所述的一种微型芯片线性负温度系数热敏电阻器的制备方法，其特征在于：所述步骤2中所采用的流延浆料需要根据步骤1中的导电炭黑的分散程度的好坏、粘度大小来确定，在流延前经过纱布过滤，过滤完好，说明导电粒子分散好，可以流延；另外，流延浆料的粘度控制在90～150Pa.s。

4.根据权利要求1所述的一种微型芯片线性负温度系数热敏电阻器的制备方法，其特征在于：所述步骤2中对流延膜可以先叠层、等静压之后，再覆金箔进行热压和交联；也可以直接在金箔上叠层，达到所需厚度再上表面覆金箔进行等静压、热压及交联过程，两种工艺路线都可制备NTC热敏电阻高分子复合材料基板。

5.根据权利要求1所述的一种微型芯片线性负温度系数热敏电阻器的制备方法，其特征在于：所述制备的NTC热敏电阻高分子复合材料基板，采用精密切割方式制备成微型芯片热敏电阻器，切割精度要求±5μm。

6.根据权利要求1所述的一种微型芯片线性负温度系数热敏电阻器的制备方法，其特征在于：所述热敏电阻器的TCR值和R值稳定性好，阻-温特性呈线性变化规律。